Elektromagnetna priroda svjetlosti je dualizam čestica-val. Šta je dualnost talas-čestica? Eksperiment sa dvostrukim prorezom

Dualnost talasa i čestica svetlosti znači da svetlost istovremeno ima svojstva kontinuiranih elektromagnetnih talasa i svojstva diskretnih fotona. Ovaj fundamentalni zaključak donijeli su fizičari u 20. vijeku i slijedio je iz prethodnih ideja o svjetlosti. Njutn je verovao da je svetlost tok korpukula, odnosno tok čestica materije koje lete pravolinijski. Ova teorija je dobro objasnila pravolinijsko širenje svjetlosti. No, pojavile su se poteškoće u objašnjavanju zakona refleksije i refrakcije, a fenomeni difrakcije i interferencije uopće se nisu mogli objasniti korpuskularnom teorijom. Stoga je nastala talasna teorija svjetlosti. Ova teorija je objasnila difrakciju i interferenciju, ali je imala poteškoća s objašnjenjem pravog svjetla. Tek u 19. veku J. Fresnel je, koristeći otkrića drugih fizičara, uspeo da spoji već izvedene principe u jednu teoriju, prema kojoj je svetlost poprečni mehanički talas. Kasnije je Maxwell otkrio da je svjetlost vrsta elektromagnetnog zračenja. Ali početkom 20. veka, zahvaljujući Ajnštajnovim otkrićima, ideje o svetlosti su se ponovo promenile. Svjetlost je postala shvaćena kao tok fotona. Ali određena svojstva svjetlosti bila su savršeno objašnjena teorijom valova. Svetlost ima i korpuskularna i talasna svojstva. U ovom slučaju postoje sljedeće pravilnosti: što je valna dužina kraća, to su korpuskularna svojstva svjetlija; što je valna dužina duža, to su svjetlije valna svojstva.

Prema de Broglieu, svaki mikroobjekat je povezan, s jedne strane, sa korpuskularnim karakteristikama - energijom E i impulsom p, as druge strane sa karakteristikama talasa - frekvencijom i talasnom dužinom.

Francuski fizičar L. de Broglie je 1924. godine izneo smelu hipotezu: dualnost talas-čestica ima univerzalni karakter, tj. sve čestice koje imaju konačni impuls P imaju valna svojstva. Tako se u fizici pojavila poznata de Broglieova formula gdje je m masa čestice, V njena brzina, h Plankova konstanta.

dakle, korpuskularna i valna svojstva mikro-objekta su nespojiva s obzirom na njihovu simultanu manifestaciju, ali podjednako karakteriziraju objekt, tj. dopunjuju jedno drugo. Ovu ideju je izrazio N. Bohr i on je formirao osnovu najvažnijeg metodološkog principa moderne nauke, koji trenutno ne pokriva samo fizičke nauke, već i sve prirodne nauke - princip komplementarnosti (1927.). Suština Princip komplementarnosti prema N. Boru svodi se na sljedeće: bez obzira koliko fenomeni idu dalje od klasičnog fizičkog objašnjenja, svi eksperimentalni podaci moraju biti opisani korištenjem klasičnih koncepata. Da bi se u potpunosti opisali kvantnomehanički fenomeni, potrebno je koristiti dva međusobno isključiva (dodatna) skupa klasičnih koncepata, čija kombinacija daje najpotpunije informacije o ovim fenomenima u cjelini.

Princip komplementarnosti, kao opšti princip znanja, može se formulisati na sledeći način: svaka prava prirodna pojava ne može se jednoznačno definisati rečima našeg jezika i zahteva za svoju definiciju najmanje dva međusobno isključiva dodatna pojma. Takvi fenomeni uključuju, na primjer, kvantne fenomene, život, psihu itd. Bor je posebno uvidio potrebu primjene principa komplementarnosti u biologiji, što je posljedica izuzetno složene strukture i funkcija živih organizama, koje im obezbjeđuju sa gotovo neiscrpnim skrivenim mogućnostima.

Tokom proteklih stotinu godina, nauka je napravila veliki napredak u proučavanju strukture našeg sveta i na mikroskopskom i na makroskopskom nivou. Nevjerovatna otkrića koja nam donose specijalne i opće teorije relativnosti i kvantne mehanike još uvijek uzbuđuju umove javnosti. Međutim, svaka obrazovana osoba treba da razumije barem osnove savremenih naučnih dostignuća. Jedna od najimpresivnijih i najvažnijih tačaka je dualnost talas-čestica. Ovo je paradoksalno otkriće čije je razumijevanje izvan dosega intuitivne svakodnevne percepcije.

Korpuskule i talasi

Dualizam je prvi put otkriven u proučavanju svjetlosti, koja se ponašala potpuno drugačije ovisno o uvjetima. S jedne strane, pokazalo se da je svjetlost optički elektromagnetski talas. S druge strane, postoji diskretna čestica (hemijsko djelovanje svjetlosti). U početku su naučnici vjerovali da se ove dvije ideje međusobno isključuju. Međutim, brojni eksperimenti su pokazali da to nije slučaj. Postepeno, stvarnost takvog koncepta kao što je dualitet talas-čestica postala je uobičajena. Ovaj koncept daje osnovu za proučavanje ponašanja složenih kvantnih objekata koji nisu ni talasi ni čestice, već samo dobijaju svojstva potonjih ili prvih u zavisnosti od određenih uslova.

Eksperiment sa dvostrukim prorezom

Difrakcija fotona je jasna demonstracija dualizma. Detektor naelektrisanih čestica je fotografska ploča ili fluorescentni ekran. Svaki pojedinačni foton je bio obeležen osvetljenjem ili tačkastim blicem. Kombinacija takvih oznaka dala je interferencijski obrazac - izmjenu slabo i jako osvijetljenih pruga, što je karakteristika difrakcije valova. Ovo se objašnjava konceptom kao što je dualnost talasa i čestica. Čuveni fizičar i nobelovac Richard Feynman rekao je da se materija ponaša na malim razmjerima na takav način da je nemoguće osjetiti "prirodnost" kvantnog ponašanja.

Univerzalni dualizam

Međutim, ovo iskustvo vrijedi ne samo za fotone. Pokazalo se da je dualizam svojstvo svake materije i da je univerzalan. Heisenberg je tvrdio da materija postoji u oba oblika naizmenično. Danas je apsolutno dokazano da se oba svojstva pojavljuju potpuno istovremeno.

Korpuskularni talas

Kako možemo objasniti ovakvo ponašanje materije? Talas koji je svojstven korpuskulama (česticama) naziva se de Broglie val, nazvan po mladom aristokratskom naučniku koji je predložio rješenje ovog problema. Općenito je prihvaćeno da de Broglieove jednačine opisuju talasnu funkciju, koja, na kvadrat, određuje samo vjerovatnoću da se čestica nalazi u različitim tačkama prostora u različito vrijeme. Jednostavno rečeno, de Broglieov talas je vjerovatnoća. Tako je uspostavljena jednakost između matematičkog koncepta (vjerovatnosti) i realnog procesa.

Kvantno polje

Šta su korpuskuli materije? Uglavnom, to su kvanti talasnih polja. Foton je kvant elektromagnetnog polja, pozitron i elektron su elektron-pozitronsko polje, mezon je kvant mezonskog polja, itd. Interakcija između valnih polja objašnjava se razmjenom određenih međučestica između njih, na primjer, tokom elektromagnetne interakcije dolazi do izmjene fotona. Iz ovoga direktno slijedi još jedna potvrda da su valni procesi koje je opisao de Broglie apsolutno stvarni fizički fenomeni. A dualizam čestica-val ne djeluje kao “misteriozno skriveno svojstvo” koje karakterizira sposobnost čestica da se “reinkarnira”. Jasno pokazuje dvije međusobno povezane radnje - kretanje objekta i valni proces povezan s njim.

Efekat tunela

Dualnost svetlosti talas-čestica povezana je sa mnogim drugim zanimljivim fenomenima. Smjer djelovanja de Broglieovog vala javlja se tokom takozvanog tunelskog efekta, odnosno kada fotoni prodiru kroz energetsku barijeru. Ova pojava je uzrokovana impulsom čestice koji prelazi prosječnu vrijednost u trenutku valnog antičvora. Tuneliranje je omogućilo razvoj mnogih elektronskih uređaja.

Interferencija svjetlosnih kvanta

Moderna nauka govori o interferenciji fotona na isti misteriozan način kao i o interferenciji elektrona. Ispostavilo se da foton, koji je nedjeljiva čestica, može istovremeno proći bilo kojom putanjom otvorenom sebi i ometati se. Ako uzmemo u obzir da je valno-čestična dualnost svojstava materije i fotona val koji pokriva mnoge strukturne elemente, onda nije isključena njegova djeljivost. Ovo je u suprotnosti s prethodnim pogledima na česticu kao elementarnu nedjeljivu formaciju. Posjedujući određenu masu kretanja, foton formira uzdužni val povezan s ovim kretanjem, koji prethodi samoj čestici, budući da je brzina uzdužnog vala veća od brzine poprečnog elektromagnetnog vala. Stoga, postoje dva objašnjenja za interferenciju fotona sa samim sobom: čestica je podijeljena na dvije komponente, koje interferiraju jedna s drugom; Talas fotona putuje duž dva puta i formira interferencijski obrazac. Eksperimentalno je otkriveno da se interferencijski obrazac stvara i kada se jednostruko nabijene čestice-fotoni naizmjence prolaze kroz interferometar. Ovo potvrđuje tezu da svaki pojedinačni foton interferira sam sa sobom. Ovo se posebno jasno vidi kada se uzme u obzir činjenica da je svjetlost (ni koherentna ni monohromatska) skup fotona koje emituju atomi u međusobno povezanim i nasumičnim procesima.

Šta je svjetlost?

Svjetlosni val je elektromagnetno nelokalizirano polje koje je raspoređeno po cijelom prostoru. Elektromagnetno polje talasa ima zapreminsku gustinu energije koja je proporcionalna kvadratu amplitude. To znači da se gustina energije može promijeniti za bilo koju količinu, odnosno da je kontinuirana. S jedne strane, svjetlost je tok kvanta i fotona (korpuskula), koji zahvaljujući univerzalnosti takvog fenomena kao što je dualnost čestica-val, predstavljaju svojstva elektromagnetnog vala. Na primjer, u fenomenima interferencije i difrakcije i skala, svjetlost jasno pokazuje karakteristike vala. Na primjer, jedan foton, kao što je gore opisano, prolazi kroz dvostruki prorez stvara interferencijski uzorak. Uz pomoć eksperimenata je dokazano da jedan foton nije elektromagnetski impuls. Ne može se podijeliti na snopove s razdjelnicima snopa, kao što su pokazali francuski fizičari Aspe, Roger i Grangerier.

Svetlost takođe ima korpuskularna svojstva koja se manifestuju u Comptonovom efektu i fotoelektričnom efektu. Foton se može ponašati kao čestica koju u potpunosti apsorbiraju objekti čije su dimenzije mnogo manje od njegove valne dužine (na primjer, atomsko jezgro). U nekim slučajevima, fotoni se općenito mogu smatrati točkastim objektima. Nema razlike u kojoj poziciji razmatramo svojstva svjetlosti. U polju vida boja, tok svjetlosti može djelovati i kao val i čestica-foton kao kvant energije. Tačka fokusirana na fotoreceptor retine, kao što je membrana konusa, može omogućiti oku da formira vlastitu filtriranu vrijednost kao glavne spektralne zrake svjetlosti i sortira ih u valne dužine. Prema kvantnim energetskim vrijednostima, u mozgu će tačka objekta biti prevedena u osjećaj boje (fokusirana optička slika).

Ako ste mislili da smo potonuli u zaborav sa našim zapanjujućim temama, onda žurimo da vas razočaramo i obradujemo: prevarili ste se! Zapravo, sve ovo vrijeme pokušavamo pronaći prihvatljiv način predstavljanja suludih tema vezanih za kvantne paradokse. Napisali smo nekoliko nacrta, ali su svi bačeni na hladno. Jer kada je u pitanju objašnjavanje kvantnih šala, i sami se zbunimo i priznamo da ne razumijemo mnogo toga (a općenito, malo ljudi razumije ovu materiju, uključujući i kul naučnike svijeta). Jao, kvantni svijet je toliko stran filistarskom svjetonazoru da uopće nije sramota priznati svoje nesporazume i pokušati malo zajedno da shvatimo barem osnove.

I iako ćemo, kao i obično, nastojati da što jasnije razgovaramo sa slikama sa Gugla, neiskusnom čitatelju će biti potrebna početna priprema, pa vam preporučujemo da pogledate naše prethodne teme, posebno o kvantima i materiji.
Posebno za humaniste i druge zainteresovane - kvantni paradoksi. Dio 1.

U ovoj temi ćemo govoriti o najčešćoj misteriji kvantnog svijeta - dualnosti talas-čestica. Kada kažemo "najobičnije", mislimo da su se fizičari toliko umorili od toga da to čak i ne izgleda kao misterija. Ali to je sve zato što je prosječan um još teže prihvatiti druge kvantne paradoksi.

I bilo je ovako. U stara dobra vremena, negde sredinom 17. veka, Njutn i Hajgens nisu se slagali oko postojanja svetlosti: Njutn je besramno izjavljivao da je svetlost tok čestica, a stari Hajgens je pokušavao da dokaže da je svetlost talas. Ali Newton je bio autoritativniji, pa je njegova izjava o prirodi svjetlosti prihvaćena kao istinita, a Hajgens je bio ismijavan. I dvije stotine godina svjetlost se smatrala strujom nekih nepoznatih čestica, čiju su se prirodu nadali da će jednog dana otkriti.

Početkom 19. stoljeća, orijentalist po imenu Thomas Young okušao se u optičkim instrumentima - kao rezultat toga, uzeo je i izveo eksperiment koji se danas zove Youngov eksperiment, a svaki fizičar ovaj eksperiment smatra svetim.

Thomas Young je samo usmjerio snop (iste boje, tako da je frekvencija bila približno ista) svjetlosti kroz dva proreza na ploči, a iza nje postavio drugu ekransku ploču. I pokazao rezultat svojim kolegama. Kada bi svjetlost bila tok čestica, tada bismo u pozadini vidjeli dvije svjetlosne trake.
Ali, na nesreću cijelog naučnog svijeta, na ekranu se pojavio niz tamnih i svijetlih pruga. Uobičajena pojava koja se zove interferencija je superpozicija dva (ili više talasa) jedan iznad drugog.

Usput, zahvaljujući smetnjama uočavamo dugine nijanse na mrlji od ulja ili na mjehuru od sapunice.

Drugim riječima, Thomas Young je eksperimentalno dokazao da su svjetlost valovi. Naučni svijet dugo nije htio vjerovati Jungu, a svojedobno je bio toliko kritiziran da je čak napustio svoje ideje teorije valova. Ali povjerenje u njihovu ispravnost je ipak pobijedilo, a naučnici su svjetlost počeli smatrati talasom. Istina, talas čega - bila je misterija.
Evo, na slici, stari dobri Jungov eksperiment.

Mora se reći da talasna priroda svetlosti nije u velikoj meri uticala na klasičnu fiziku. Naučnici su prepisali formule i počeli vjerovati da će uskoro cijeli svijet pasti pred njihove noge pod jedinstvenom univerzalnom formulom za sve.
Ali već ste pogodili da je Ajnštajn, kao i uvek, sve pokvario. Nevolja je prikrala s druge strane - naučnici su se u početku zbunili u izračunavanju energije toplotnih talasa i otkrili koncept kvanta (obavezno pročitajte o tome u našoj odgovarajućoj temi ""). A onda je uz pomoć tih istih kvanta Ajnštajn zadao udarac fizici, objašnjavajući fenomen fotoelektričnog efekta.

Ukratko: fotoelektrični efekat (čija je jedna od posljedica ekspozicija filma) je izbacivanje elektrona s površine određenih materijala svjetlošću. Tehnički, ovo izbacivanje se događa kao da je svjetlost čestica. Einstein je česticu svjetlosti nazvao kvantom svjetlosti, a kasnije je dobila ime - foton.

Godine 1920., nevjerovatni Comptonov efekat je dodat antitalasnoj teoriji svjetlosti: kada je elektron bombardiran fotonima, foton se odbija od elektrona uz gubitak energije (mi "pucamo" plavom bojom, ali crveni leti off), kao bilijarska lopta od druge. Compton je za to dobio Nobelovu nagradu.

Ovog puta, fizičari su bili oprezni da jednostavno napuste talasnu prirodu svjetlosti, ali su umjesto toga dobro razmislili. Nauka je suočena sa zastrašujućom misterijom: da li je svjetlost talas ili čestica?

Svjetlost, kao i svaki val, ima frekvenciju - i to je lako provjeriti. Vidimo različite boje jer je svaka boja jednostavno drugačija frekvencija elektromagnetnog (svjetlosnog) vala: crvena je niska frekvencija, ljubičasta je visoka frekvencija.
Ali zadivljujuće je: talasna dužina vidljive svetlosti je pet hiljada puta veća od veličine atoma - kako se takva „stvar“ uklapa u atom kada atom apsorbuje ovaj talas? Ako je samo foton čestica koja je po veličini usporediva s atomom. Da li je foton i veliki i mali u isto vrijeme?

Osim toga, fotoelektrični efekat i Comptonov efekat jasno dokazuju da je svjetlost i dalje tok čestica: ne može se objasniti kako val prenosi energiju na elektrone lokalizirane u svemiru - da je svjetlost val, onda bi neki elektroni kasnije bili nokautirani. od drugih, i fenomen Ne bismo posmatrali fotoelektrični efekat. Ali u slučaju protoka, jedan foton se sudara sa jednim elektronom i, pod određenim uslovima, izbacuje ga iz atoma.

Kao rezultat toga, odlučeno je: svjetlost je i val i čestica. Ili bolje rečeno, ni jedno ni drugo, već novi, ranije nepoznati oblik postojanja materije: pojave koje posmatramo su samo projekcije ili sjene stvarnog stanja stvari, ovisno o tome kako gledate na ono što se događa. Kada pogledamo sjenku cilindra osvijetljenu s jedne strane, vidimo krug, a kada se osvijetli s druge strane, vidimo pravokutnu sjenu. Tako je i sa čestično-talasnom predstavom svjetlosti.

Ali ni ovdje nije sve lako. Ne možemo reći da svjetlost smatramo ili valom ili strujom čestica. Pogledaj kroz prozor. Odjednom, čak iu čisto opranom staklu, vidimo svoj vlastiti odraz, iako mutan. u čemu je kvaka? Ako je svjetlost val, onda je lako objasniti refleksiju u prozoru - vidimo slične efekte na vodi kada se val reflektira od prepreke. Ali ako je svjetlost tok čestica, onda se refleksija ne može tako lako objasniti. Na kraju krajeva, svi fotoni su isti. Međutim, ako su svi isti, onda bi barijera u obliku prozorskog stakla trebala imati isti učinak na njih. Ili svi prolaze kroz staklo, ili se svi reflektuju. Ali u surovoj stvarnosti, neki od fotona prolete kroz staklo, a mi vidimo susednu kuću i odmah vidimo svoj odraz.

I jedino objašnjenje koje mi pada na pamet: fotoni su sami po sebi. Nemoguće je sa stopostotnom vjerovatnoćom predvidjeti kako će se određeni foton ponašati – da li će se sudariti sa staklom kao čestica ili kao talas. To je osnova kvantne fizike – potpuno, apsolutno nasumično ponašanje materije na mikro nivou bez ikakvog razloga (a u našem svijetu velikih količina, iz iskustva znamo da sve ima razlog). Ovo je savršen generator slučajnih brojeva, za razliku od bacanja novčića.

Briljantni Ajnštajn, koji je otkrio foton, bio je do kraja života ubeđen da je kvantna fizika pogrešna i uveravao je sve da „Bog ne igra kockice“. Ali moderna nauka sve više potvrđuje da se igra.

Na ovaj ili onaj način, jednog dana naučnici su odlučili da stave tačku na debatu o „talasima ili česticama“ i reprodukuju Jungovo iskustvo uzimajući u obzir tehnologije 20. veka. Do tada su naučili da pucaju fotone jedan po jedan (kvantni generatori, poznati među populacijom kao “laseri”), pa je odlučeno da se provjeri šta bi se dogodilo na ekranu ako bi se jedna čestica ispalila na dva proreza: konačno će postati jasno šta je materija u kontrolisanim eksperimentalnim uslovima.

I odjednom - jedan kvant svjetlosti (foton) pokazao je interferencijski obrazac, odnosno čestica je proletjela kroz oba proreza u isto vrijeme, foton je interferirao sam sa sobom (u naučnom smislu). Hajde da razjasnimo tehničku stvar - u stvari, slika interferencije nije prikazana jednim fotonom, već nizom snimaka jedne čestice u intervalima od 10 sekundi - s vremenom su se Youngove rubove, poznate svakom studentu C od 1801. godine, pojavile na ekran.

Sa stanovišta vala, to je logično - val prolazi kroz pukotine, a sada se dva nova vala razilaze u koncentričnim krugovima, preklapajući se.
Ali s korpuskularne tačke gledišta, ispada da se foton nalazi na dva mjesta u isto vrijeme kada prolazi kroz proreze, a nakon prolaska kroz njega se miješa sam sa sobom. Ovo je generalno normalno, ha?
Ispostavilo se da je to normalno. Štaviše, budući da se foton nalazi u dva proreza odjednom, to znači da je istovremeno svuda i prije i nakon prolaska kroz njih. I općenito, sa stanovišta kvantne fizike, oslobođeni foton između starta i cilja je istovremeno „posvuda i odjednom“. Fizičari takav nalaz čestice nazivaju superpozicijom "svuda odjednom" - strašna riječ, koja je nekada bila matematičko ugađanje, sada je postala fizička stvarnost.

Izvjesni E. Schrödinger, poznati protivnik kvantne fizike, do tada je negdje iskopao formulu koja opisuje valna svojstva materije, kao što je voda. I nakon što sam se malo petljao s tim, na svoj užas, zaključio sam takozvanu talasnu funkciju. Ova funkcija je pokazala vjerovatnoću pronalaženja fotona na određenoj lokaciji. Imajte na umu da je ovo vjerovatnoća, a ne tačna lokacija. A ova vjerovatnoća ovisila je o kvadratu visine vrha kvantnog talasa na datoj lokaciji (ako nekoga zanimaju detalji).

Pitanjem mjerenja lokacije čestica posvetit ćemo posebno poglavlje.

Dalja otkrića su pokazala da su stvari s dualizmom još gore i misterioznije.
Godine 1924. izvjesni Louis de Broglie je rekao da su talasno-korpuskularna svojstva svjetlosti vrh ledenog brega. I sve elementarne čestice imaju ovo neshvatljivo svojstvo.
Odnosno, čestica i talas istovremeno nisu samo čestice elektromagnetnog polja (fotoni), već i stvarne čestice kao što su elektroni, protoni itd. Sva materija oko nas na mikroskopskom nivou su talasi(i čestice u isto vrijeme).

A par godina kasnije, to je čak i eksperimentalno potvrđeno - Amerikanci su tjerali elektrone u katodne cijevi (koje su današnjim starim prducima poznati pod nazivom "kineskop") - i tako su zapažanja vezana za refleksiju elektrona potvrdila da je elektron je takođe talas (radi lakšeg razumevanja, možete reći da su postavili ploču sa dva proreza na putanju elektrona i videli interferenciju elektrona kakva jeste).

Do danas su eksperimenti otkrili da atomi imaju i valna svojstva, pa čak i neke posebne vrste molekula (tzv. “fulereni”) se manifestiraju kao valovi.

Radoznali um čitaoca, koji još nije bio zapanjen našom pričom, pitaće se: ako je materija talas, zašto se onda, na primer, leteća lopta ne razmazuje u svemiru u obliku talasa? Zašto mlazni avion nimalo ne podseća na talas, ali je veoma sličan mlaznom avionu?

De Broglie, đavo, je ovde sve objasnio: da, leteća lopta ili Boeing je takođe talas, ali dužina ovog talasa je kraća što je impuls veći. Moment je masa pomnožena brzina. Odnosno, što je veća masa materije, to je njena talasna dužina kraća. Talasna dužina lopte koja leti brzinom od 150 km/h bit će približno 0,00 metara. Stoga nismo u mogućnosti primijetiti kako se lopta širi prostorom kao talas. Za nas je to čvrsta materija.
Elektron je vrlo lagana čestica i, leti brzinom od 6000 km/sec, imat će primjetnu valnu dužinu od 0,0000000001 metara.

Usput, odgovorimo odmah na pitanje zašto atomsko jezgro nije tako "valovito". Iako se nalazi u središtu atoma, oko kojeg elektron ludo leti i istovremeno je razmazan, ima pristojan zamah povezan s masom protona i neutrona, kao i visokofrekventnu oscilaciju (brzinu) zbog na postojanje stalne razmene čestica unutar jezgra jaka interakcija (čitaj temu). Stoga je jezgro više kao čvrsta materija koja nam je poznata. Elektron je, po svemu sudeći, jedina čestica mase koja ima jasno izražena valna svojstva, pa je svi s oduševljenjem proučavaju.

Vratimo se našim česticama. Tako se ispostavilo: elektron koji rotira oko atoma je i čestica i talas. Odnosno, čestica se rotira, a u isto vrijeme elektron kao val predstavlja ljusku određenog oblika oko jezgre - kako to uopće može razumjeti ljudski mozak?

Već smo ranije izračunali da leteći elektron ima prilično ogromnu (za mikrokosmos) talasnu dužinu, a da bi stao oko jezgra atoma, takvom talasu je potrebna nepristojna količina prostora. To je upravo ono što objašnjava tako velike veličine atoma u poređenju sa jezgrom. Talasne dužine elektrona određuju veličinu atoma. Prazan prostor između jezgre i površine atoma ispunjen je „akomodacijom“ talasne dužine (i u isto vreme čestice) elektrona. Ovo je vrlo grubo i netačno objašnjenje – oprostite nam – u stvarnosti je sve mnogo komplikovanije, ali naš cilj je da barem omogućimo ljudima koje sve ovo zanima da odgrizu komadić granita nauke.

Da budemo jasni ponovo! Nakon nekoliko komentara na članak [u YP], shvatili smo koja važna stvar nedostaje ovom članku. Pažnja! Oblik materije koji opisujemo nije ni talas ni čestica. Samo (istovremeno) ima svojstva talasa i svojstva čestica. Ne može se reći da je elektromagnetski talas ili talas elektrona kao morski talasi ili zvučni talasi. Talasi koji su nam poznati predstavljaju širenje poremećaja u prostoru ispunjenom nekom tvari.
Fotoni, elektroni i druge instance mikrokosmosa, kada se kreću u svemiru, mogu se opisati talasnim jednačinama; njihovo ponašanje je samo Slično talasu, ali ni u kom slučaju nisu talas. Slično je i sa korpuskularnom strukturom materije: ponašanje čestice je slično letu malih loptica, ali to nikada nisu kuglice.
Ovo se mora razumjeti i prihvatiti, inače će sve naše misli na kraju dovesti do traženja analoga u makrokosmosu i tako će razumijevanje kvantne fizike doći do kraja, a započet će fratarizam ili šarlatanska filozofija, kao što su kvantna magija i materijalnost. misli.

Razmotrit ćemo preostale zastrašujuće zaključke i posljedice Jungovog moderniziranog eksperimenta kasnije u sljedećem dijelu - Heisenbergova neizvjesnost, Schrödingerova mačka, Paulijev princip isključenja i kvantna zapetljanost čekaju strpljivog i promišljenog čitatelja koji će više puta čitati naše članke i čeprkati. putem interneta u potrazi za dodatnim informacijama.

Hvala svima na pažnji. Srećna nesanica ili kognitivne noćne more svima!

NB: Revnosno vas podsjećamo da su sve slike preuzete sa Google-a (pretraga po slikama) - tu se utvrđuje autorstvo.
Nelegalno kopiranje teksta se goni, suzbija, pa, znate...

Dualnost talas-čestica– svojstvo bilo koje mikročestice da detektuje znakove čestice (korpuskule) i talasa. Dualnost talas-čestica najjasnije se manifestuje kod elementarnih čestica. Elektron, neutron, foton se pod nekim uslovima ponašaju kao dobro lokalizovani materijalni objekti (čestice) u prostoru, krećući se određenim energijama i impulsima po klasičnim putanjama, a u drugim kao talasi, što se manifestuje u njihovoj sposobnosti da interferencije i difrakcije. Dakle, elektromagnetski talas, koji se raspršuje na slobodnim elektronima, ponaša se kao tok pojedinačnih čestica - fotona, koji su kvanti elektromagnetnog polja (Comptonov efekat), a impuls fotona je dat formulom p = h/λ, gde je λ dužina elektromagnetnog talasa, a h Plankova konstanta. Ova formula sama po sebi je dokaz dualizma. U njemu je s lijeve strane impuls pojedine čestice (foton), a s desne strane je valna dužina fotona. Dualnost elektrona, koje smo navikli smatrati česticama, očituje se u činjenici da se pri reflektiranju od površine jednog kristala uočava difrakcijski uzorak, koji je manifestacija valnih svojstava elektrona. Kvantitativni odnos između korpuskularnih i valnih karakteristika elektrona je isti kao i za foton: r = h/λ (r je impuls elektrona, a λ njegova de Broglieova talasna dužina). Dualnost talasa i čestica je osnova kvantne fizike.

Talas (krzno) je proces koji je uvijek povezan s materijalnim okruženjem koje zauzima određeni volumen u prostoru.

64. De Broglie maše. Difrakcija elektrona Talasna svojstva mikročestica.

Razvoj ideja o korpuskularno-valnim svojstvima materije dobijen je u hipotezi o talasnoj prirodi kretanja mikročestica. Louis de Broglie, iz ideje o simetriji u prirodi za čestice materije i svjetlosti, pripisuje svakoj mikročestici određeni unutrašnji periodični proces (1924). Kombinirajući formule E = hν i E = mc 2, dobio je relaciju koja pokazuje da svaka čestica ima svoju talasna dužina : λ B = h/mv = h/p, gdje je p impuls čestice talasa. Na primjer, za elektron sa energijom od 10 eV, de Broglieova talasna dužina je 0,388 nm. Kasnije je pokazano da se stanje mikročestice u kvantnoj mehanici može opisati određenim kompleksom valna funkcija koordinate Ψ(q), i kvadrat modula ove funkcije |Ψ| 2 definira distribuciju vjerovatnoće koordinatnih vrijednosti. Ovu funkciju je prvi put u kvantnu mehaniku uveo Schrödinger 1926. Dakle, de Broglieov talas ne nosi energiju, već samo odražava “distribuciju faza” nekog vjerovatnog periodičnog procesa u prostoru. Shodno tome, opis stanja objekata mikrosvijeta je vjerovatnoća prirode, za razliku od objekata makrosvijeta, koji su opisani zakonima klasične mehanike.

Da bi dokazao de Broglieovu ideju o talasnoj prirodi mikročestica, njemački fizičar Elsaser je predložio korištenje kristala za promatranje difrakcije elektrona (1925). U SAD su K. Davisson i L. Germer otkrili fenomen difrakcije kada snop elektrona prolazi kroz ploču od kristala nikla (1927). Nezavisno od njih, difrakciju elektrona koji prolaze kroz metalnu foliju otkrili su J.P. Thomson u Engleskoj i P.S. Tartakovski u SSSR-u. Tako je de Broglieova ideja o valnim svojstvima materije našla eksperimentalnu potvrdu. Nakon toga, u atomskim i molekularnim snopovima otkrivena su svojstva difrakcije, a time i talasa. Ne samo fotoni i elektroni, već i sve mikročestice imaju svojstva čestica talasa.

Otkriće valnih svojstava mikročestica pokazalo je da takvi oblici materije kao što su polje (kontinuirano) i materija (diskretna), koji su sa stanovišta klasične fizike smatrani kvalitativno različitim, pod određenim uvjetima mogu pokazati svojstva svojstvena oba oblika. Ovo govori o jedinstvu ovih oblika materije. Potpuni opis njihovih svojstava moguć je samo na osnovu suprotstavljenih, ali komplementarnih ideja.

Uvod

Gotovo istovremeno su iznesene dvije teorije svjetlosti: Newtonova korpuskularna teorija i Huygensova teorija valova.

Prema korpuskularnoj teoriji, ili teoriji odliva, koju je izneo Njutn krajem 17. veka, svetleća tela emituju sitne čestice (korpuskule) koje lete pravo u svim pravcima i, kada uđu u oko, izazivaju osećaj svetlosti. .

Prema teoriji valova, svjetlosno tijelo izaziva elastične vibracije u posebnom mediju koji ispunjava cijeli kosmički prostor - svjetski eter - koje se šire u etru poput zvučnih valova u zraku.

U vrijeme Newtona i Huygensa većina naučnika se držala Newtonove korpuskularne teorije, koja je sasvim zadovoljavajuće objašnjavala sve svjetlosne pojave poznate u to vrijeme. Refleksija svjetlosti je objašnjena slično kao i refleksija elastičnih tijela pri udaru u ravninu. Prelamanje svjetlosti objašnjeno je djelovanjem velikih privlačnih sila na čestice iz gušće sredine. Pod uticajem ovih sila, koje se manifestuju, prema Newtonovoj teoriji, kada se približavaju gušćem mediju, svetlosna tela su dobijala ubrzanje usmereno okomito na granicu ovog medija, usled čega su menjale smer kretanja i na istovremeno povećali svoju brzinu. Slično su objašnjeni i drugi svjetlosni fenomeni.

Nakon toga, nova zapažanja koja su se pojavila nisu se uklapala u okvir ove teorije. Konkretno, nekonzistentnost ove teorije otkrivena je kada je izmjerena brzina širenja svjetlosti u vodi. Ispostavilo se da nije više, nego manje nego u zraku.

Početkom 19. vijeka, Huygensovu teoriju valova, koju njegovi savremenici nisu prepoznali, razvili su i poboljšali Young i Fresnel i dobila je univerzalno priznanje. Šezdesetih godina prošlog veka, nakon što je Maksvel razvio teoriju elektromagnetnog polja, pokazalo se da je svetlost elektromagnetni talas. Tako je talasna mehanička teorija svetlosti zamenjena talasnom elektromagnetskom teorijom. Svetlosni talasi (vidljivi spektar) zauzimaju opseg od 0,4-0,7 µm na skali elektromagnetnih talasa. Maxwellova talasna teorija svjetlosti, koja tretira zračenje kao kontinuirani proces, nije mogla objasniti neke od novootkrivenih optičkih fenomena. Dopunjena je kvantnom teorijom svjetlosti, prema kojoj se energija svjetlosnog vala emituje, distribuira i apsorbira ne kontinuirano, već u određenim dijelovima - svjetlosnim kvantima, ili fotonima - koji ovise samo o dužini svjetlosnog vala. Dakle, prema modernim konceptima, svjetlost ima i valna i korpuskularna svojstva.

Interferencija svjetlosti

Talasi koji stvaraju oscilacije u svakoj tački u prostoru sa faznom razlikom koja se ne mijenja tokom vremena nazivaju se koherentni. Fazna razlika u ovom slučaju ima konstantnu, ali, općenito govoreći, različitu vrijednost za različite tačke u prostoru. Očigledno je da samo valovi iste frekvencije mogu biti koherentni.

Kada se nekoliko koherentnih talasa širi u prostoru, oscilacije koje generišu ovi talasi jačaju jedna drugu u nekim tačkama, a slabe jedna drugu u drugim. Ova pojava se naziva interferencija talasa. Talasi bilo koje fizičke prirode mogu ometati. Pogledaćemo interferenciju svetlosnih talasa.

Izvori koherentnih talasa se takođe nazivaju koherentnim. Kada je određena površina osvijetljena s nekoliko koherentnih izvora svjetlosti, na njoj se uglavnom pojavljuju naizmjenične svijetle i tamne pruge.

Dva nezavisna izvora svjetlosti, na primjer dvije električne lampe, nisu koherentna. Svjetlosni valovi koje emituju rezultat su dodavanja velikog broja valova koje emituju pojedinačni atomi. Emisija talasa od strane atoma dešava se nasumično, pa stoga ne postoje stalne veze između faza talasa koje emituju dva izvora.

Kada je površina osvijetljena nekoherentnim izvorima, ne pojavljuje se uzorak naizmjeničnih svijetlih i tamnih pruga karakterističnih za smetnje. Ispostavlja se da je osvjetljenje u svakoj tački jednako zbiru osvjetljenja koje stvara svaki od izvora posebno.

Koherentni talasi nastaju cijepanjem snopa svjetlosti iz jednog izvora na dva ili više odvojenih zraka.

Interferencija svjetlosti se može uočiti pri osvjetljavanju prozirne ploče promjenjive debljine, posebno klinaste ploče, monohromatskim (jednobojnim) zrakama. Oko posmatrača će primiti talase reflektovane i sa prednje i sa zadnje površine ploče. Rezultat interferencije određen je razlikom u fazama ovih i drugih valova, koja se postupno mijenja s promjenom debljine

Kada je ravnoparalelna ploča osvijetljena paralelnim snopom, fazna razlika svjetlosnih valova reflektiranih od njene prednje i stražnje površine je ista u svim tačkama - ploča će izgledati ujednačeno osvijetljena.

Oko dodirne tačke blago konveksnog stakla sa ravnim, pri osvjetljenju monokromatskom svjetlošću, uočavaju se tamni i svijetli prstenovi - takozvani Newtonovi prstenovi. Ovdje najtanji sloj zraka između oba stakla igra ulogu reflektivnog filma, koji ima konstantnu debljinu duž koncentričnih krugova.

Difrakcija svjetlosti.

Svjetlosni val ne mijenja geometrijski oblik fronte kada se širi u homogenom mediju. Međutim, ako se svjetlost širi u nehomogenom mediju, u kojem, na primjer, postoje neprozirni ekrani, područja prostora s relativno oštrom promjenom indeksa prelamanja itd., tada se uočava izobličenje valnog fronta. U tom slučaju dolazi do preraspodjele intenziteta svjetlosnog vala u prostoru. Pri osvjetljavanju, na primjer, neprozirnih ekrana sa tačkastim izvorom svjetlosti na granici sjene, gdje bi, prema zakonima geometrijske optike, trebao doći do naglog prijelaza iz sjene u svjetlo, pojavljuje se niz tamnih i svijetlih pruga. uočeno; dio svjetlosti prodire u područje geometrijske sjene. Ove pojave se odnose na difrakciju svjetlosti.

Dakle, difrakcija svjetlosti u užem smislu je fenomen savijanja svjetlosti oko konture neprozirnih tijela i ulaska svjetlosti u područje geometrijske sjene; u širem smislu, svako odstupanje u širenju svjetlosti od zakona geometrijske optike.

Sommerfeldova definicija: pod difrakcijom svjetlosti podrazumijeva se svako odstupanje od pravolinijskog širenja ako se ne može objasniti kao rezultat refleksije, prelamanja ili savijanja svjetlosnih zraka u medijima s konstantno promjenjivim indeksom prelamanja.

Ako medij sadrži sitne čestice (maglu) ili se indeks prelamanja primjetno mijenja na udaljenostima reda valne dužine, onda se u tim slučajevima govori o raspršenju svjetlosti i ne koristi se termin „difrakcija“.

Postoje dvije vrste difrakcije svjetlosti. Proučavanjem difrakcionog uzorka na posmatračkoj tački koja se nalazi na konačnoj udaljenosti od prepreke, imamo posla sa Fresnelovom difrakcijom. Ako se tačka posmatranja i izvor svjetlosti nalaze toliko daleko od prepreke da se zraci koji upadaju na prepreku i zraci koji idu do točke promatranja mogu smatrati paralelnim snopovima, onda govorimo o difrakciji u paralelnim zrakama - Fraunhoferova difrakcija.

Teorija difrakcije razmatra talasne procese u slučajevima kada postoje bilo kakve prepreke na putu širenja talasa.

Koristeći teoriju difrakcije, problemi kao što su zaštita od buke pomoću akustičnih ekrana, širenje radio talasa preko površine Zemlje, rad optičkih instrumenata (pošto je slika koju daje sočivo uvijek difrakcijski uzorak), mjerenja kvaliteta površine, proučavanje strukture materije i mnoge druge su riješene.

Polarizacija svjetlosti

Fenomeni interferencije i difrakcije, koji su poslužili da se potkrepi talasna priroda svetlosti, još uvek ne daju potpunu sliku prirode svetlosnih talasa. Nove karakteristike otkriva nam iskustvo prolaska svjetlosti kroz kristale, posebno kroz turmalin.

Uzmimo dvije identične pravokutne turmalinske ploče, izrezane tako da se jedna od strana pravokutnika poklapa s određenim smjerom unutar kristala, koji se naziva optička os. Stavimo jednu ploču na drugu tako da im se osi poklapaju u smjeru i propuštamo uski snop svjetla od fenjera ili sunca kroz presavijeni par ploča. Budući da je turmalin smeđe-zeleni kristal, trag odašiljenog snopa pojavit će se na ekranu kao tamnozelena mrlja. Počnimo rotirati jednu od ploča oko grede, ostavljajući drugu nepomično. Utvrdit ćemo da trag zraka postaje slabiji, a kada se ploča zarotira za 90 0, ona će potpuno nestati. Daljnjom rotacijom ploče, kratki snop će ponovo početi da se pojačava i dostići svoj prethodni intenzitet kada se ploča okrene za 180 0, tj. kada su optičke ose ploča ponovo paralelne. Daljnjom rotacijom turmalina, snop ponovo slabi.

Sve uočene pojave mogu se objasniti ako se izvuku sljedeći zaključci.

1) Svetlosne vibracije u snopu su usmerene okomito na liniju prostiranja svetlosti (svetlosni talasi su poprečni).

2) Turmalin je sposoban da prenosi svjetlosne vibracije samo kada su usmjerene na određeni način u odnosu na njegovu osu.

3) U svjetlu fenjera (sunca) prikazuju se poprečne vibracije bilo kojeg smjera i to u istoj proporciji, tako da nijedan smjer nije preovlađujući.